为系统定制的温度传感器及其电路设计

    传统的温度传感器只能提供模拟输出，如：电热调节器、RTDs、热电偶以及后来出现的硅温度传感器。而在大多数应用中，这些模拟输出的温度传感器的输出端需要配置一个比较器、ADC或放大器，以产生有效的信号输出。

    随着集成工艺的发展，温度传感器和数字接口已能够集成在单片IC内，这些IC被应用于多种产品，从最简单的温度开关（当达到或超过特殊的温度门限时产生信号）到那些可编程温度报警以及提供远程和本地温度数字量的复杂功能器件，目前的传感器并不是简单地在模拟输出和数字输出之间来选择，而是具有多种选择类型，以满足各种系统的需要。

1 温度传感器的分类

    图1列出了四种类型的温度传感器。图1（a）是理想的模拟输出传感器，它的输出电压是温度的线性函数。图1（b）是带数字I/O的传感器，它可以直接连接到微控制器，温度以数字形式通过串行总线注入微控制器。在同一总线上，控制指令可以从微处理器传送给温度传感器，通常用来设置与ALERT数字输出相对应的温度门限值。当超过温度门限值时，“ALERT”将中断微控制器或提供风扇控制。图1（c）是增强型模拟传感器。“增强型模拟”传感器具备各种类型的数字输出。当超出特殊温度的时候，数字输出开关的状态即发生改变。“增强”只是在模拟温度传感器的基础上增加了比较器和电压基准。其它结构的“增强型模拟”温度传感器也可将温度转换为延迟时间或用方波的周期或频率表示。图1（d）为比较复杂的集成温度传感器即系统监控器。该类芯片除了能提供数字I/O接口功能之外，还可监控系统电源电压、提供过压和欠压报警、通过I/O总线设置报警域值等，有时也包含风扇监控和控制功能。

2 模拟输出温度传感器

    电热调节器和硅温度传感器被广泛地使用在模拟输出温度传感器中。图2说明了电压和温度成线性关系的必要性，与电热调节器相比，硅温度传感器是更好的选择，但在比较狭窄的温度范围内，电热调节器也能提供合理的线性度和灵敏度。

    硅温度传感器可以有不同的输出刻度和偏移量。例如，有些硅传感器的传输函数正比于绝对温度K，有些则正比于摄氏温度℃或华氏温度。一些正比于摄氏温度的芯片在使用单电源电压时也能用于检测负温。

    在大多数应用中，这些器件的输出被送至比较器或模数转换器，以将温度数据转换为数字格式。然而尽管需要附加器件，电热调节器和硅温度传感器以它的低价格和使用简单的优势继续为大众所采用。

3 数字I/O温度传感器

    大约五年以前，一种新的温度传感器类型被引进。这些器件包含数字接口，允许和微控制器通信，这些接口通常采用I2C或SMBus串行总线，SPI也是一种通用的总线方式。除了将温度送至微控制器之外，接口也可以从微控制器接收指令，通常是设置温度检测门限，如果温度超出检测门限，温度传感器将激活数字信号以中断微控制器，进而由微控制器进一步调整风扇速度或减慢微处理器速度，从而使温度处于正常范围。

    这种类型的器件具备不同特点，目前常用的有远程温度传感器。图3是一个用户可编程的温度传感器通过远程CPU的内部PN结来监控CPU温度的CPU监控电路。多数高性能CPU需要通过远程温度传感器进行监测，CPU内部包括用于温度测量的晶体管。对于不带有内置晶体管的系统，利用一个分立的晶体管可以实现同样的功能。在图3电路中，当测量 温度超出任何一个高温或者低温门限值时，MAX1618即产生中断信号，温度门限值通过SMBus总线经CPU传送给MAX161。在图4电路中，MAX1668可以同时监控四个P-N结和其自身的温度。因为MAX1668功耗很低，因此它的内部温度接近于环境温度。测量环境温度可以给系统提供一个风扇是否正常运行的状态指示。

    利用图5所示电路可以监控远程温度以控制风扇。使用它可以选择两种风扇控制方式。即PWM方式和线性控制方式，在PWM方式下，微控制器用来控制风扇速度以作为测量温度的函数，它是通过改变送给风扇信号的占空比来实现的。这种方式的风扇控制比线性控制方式能节省大量的功率消耗。因为有些风扇采用PWM信号控制时会产生噪声，而线性控制方式则没有，因此可根据系统需要选择控制方式。MAX16690还可提供ALERT报警信号，当温度超出设定值时中断微控制器。另外，通过OVERT输出端还可提供一个安全控制模式，ALERT信号将失去作用，此时，当温度上升超出规定的门限时，OVERT将变为有效，这时，它可以不通过微控制器而直接控制电路的动作，如直接关闭系统电源以防止系统损坏等。

    数字I/O类的集成温度传感器普遍应用在服务器、电池组和硬盘驱动器中。为啬服务器的可靠性往往需要监控许多点的温度：如母板，CPU内核、图像加速器和硬盘驱动器等其它发热组件。硬盘驱动器的读错误在温度达到极限时会大大增加，同时，硬盘的平均无故障时间通过温度控制也可以有效的改善。通过在系统内部测量温度还能控制马达的速度，以提高其可靠性和性能。为保证电池组的安全使用，通常也会将温度传感器与电池组安装在一起，以优化充电并延长电池寿命。